CN208125949U - 一种透镜光纤阵列、其与芯片的耦合部件和光电子器件 - Google Patents
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Abstract
本实用新型公开了一种透镜光纤阵列、其与芯片的耦合部件和光电子器件，该透镜光纤阵列中各锥形透镜光纤的间距和V型槽的设置，为实现每一锥形透镜光纤和芯片耦合区域的对准提供了便利。此外，采用上述透镜光纤阵列和硅基光电芯片在基板上形成耦合部件，只需使得固定在基板上的述透镜光纤阵列中去除涂覆层的光纤与硅基光电芯片上的耦合区域实现波导对准即可，满足了耦合模斑匹配的要求。本实用新型的耦合结构能够提高电子元件的强度、结构稳定性，同时提高其散热性能。
Description
技术领域
本实用新型实施例涉及光通信技术领域，尤其是涉及一种透镜光纤阵列、其与芯片的耦合部件和光电子器件。
背景技术
硅基光电芯片封装技术的关键部分是实现芯片片内的光信号与外部光信号(多数为光纤)的耦合连接。端面耦合因具有封装工艺简单、耦合效率高等特点得到了广泛的应用。一般情况下，硅基光芯片端面模斑变换器耦合区域的模斑直径一般为2.5微米，当硅基光芯片有单个输入/输出时可通过单根锥形透镜光纤进行耦合。然而，随着光通信、互联网等飞速发展，数据传输与处理速度向更高速率发展，实现高性能、低成本、小尺寸和高集成度的片上光互联。在基光电芯片上集成多个光器件，会有多个光输入/输出端口，这就需要光纤阵列(FA，Fiber Array)与芯片端面对准耦合。
常规平面波导类芯片的耦合方法是芯片与光纤阵列的耦合端面使用一种紫外固化胶实现折射率匹配和粘接。但是硅基光电芯片的厚度一般只有0.7毫米，在耦合端面粘接面积较小不能保证粘接强度，而且常规光纤阵列的耦合端面光纤模场直径为10微米，未进行模斑变换处理，不能与硅基光芯片的端面耦合模斑匹配。
在实现本实用新型实施例的过程中，发明人发现现有的光纤阵列与芯片的耦合端面不能满足耦合模斑匹配的要求，且直接粘接光纤阵列和芯片的端面的粘接强度不高、散热性能差。
实用新型内容
本实用新型所要解决的技术问题是如何解决光纤阵列与芯片的耦合端面不能满足耦合模斑匹配的要求，且直接粘接光纤阵列和芯片的端面的粘接强度不高、散热性能差的问题。
针对以上技术问题，本实用新型的实施例提供了一种透镜光纤阵列，包括V型槽基板、盖板和预设数量的锥形透镜光纤；
所述V型槽基板的第一表面上设置有条数等于所述预设数量的V型槽，各V型槽之间彼此平行；
每一锥形透镜光纤均安装于所述V型槽基板上的一个V型槽内，并由所述V型槽基板的第二表面和第三表面向外伸出；
所述盖板固定在所述第一表面上，以固定安装的锥形透镜光纤；
其中，所述第二表面和所述第三表面为所述V型槽基板的一组相对的面；各锥形透镜光纤之间的间距和欲与所述透镜光纤阵列形成耦合部件的芯片上的耦合区域之间的间距匹配。
可选地，还包括尾胶；
所述尾胶设置在所述第一表面上的在所述盖板之外的区域，以固定锥形透镜光纤。
可选地，所述盖板中靠近所述第二表面的端面与所述第二表面处于同一平面内；
每一锥形透镜光纤伸出所述第二表面的光纤伸出长度均为第一预设长度，且任意两根锥形透镜光纤对应的光纤伸出长度之间的差值小于第二预设长度。
可选地，所述V型槽基板上每一V型槽的两个槽面之间的角度与安装在该V型槽内的锥形透镜光纤的锥形角度匹配。
第二方面，本实施例提供了一种芯片与透镜光纤阵列的耦合部件，包括权利要求以上所述的任一种透镜光纤阵列、硅基光电芯片、基板、芯片粘接胶、紫外胶和匹配液；
所述芯片粘接胶设置在所述硅基光电芯片和所述基板的承载面之间，以将所述硅基光电芯片固定在所述承载面上；
所述紫外胶设置在所述透镜光纤阵列和所述承载面之间，以将所述透镜光纤阵列固定在所述承载面上；
由所述透镜光纤阵列的第二端面伸出的锥形透镜光纤与所述硅基光电芯片中具有耦合区域的耦合端面接触并实现波导对准；
所述匹配液设置在由所述透镜光纤阵列的第二端面伸出的锥形透镜光纤与所述耦合端面接触的位置处；
其中，由所述透镜光纤阵列的第二端面伸出的锥形透镜光纤已去除光纤包覆层。
可选地，所述盖板突出所述第一表面的厚度等于所述硅基光电芯片的厚度。
可选地，所述基板和所述硅基光电芯片的热膨胀系数匹配。
可选地，所述基板由陶瓷材料或者石英玻璃材料构成。
第三方面，本实施例提供了一种光电子器件，包括以上任一所述的芯片与透镜光纤阵列的耦合部件。
本实用新型的实施例提供了一种透镜光纤阵列、其与芯片的耦合部件和光电子器件，该透镜光纤阵列中各锥形透镜光纤的间距与欲与该透镜光纤阵列形成耦合部件的芯片上的耦合区域一一对应，以方便在波导对准时实现每一锥形透镜光纤和耦合区域的对准。其次，设置在V型槽基板上的V型槽保证了在通过盖板进行固定之前放入其中的锥形透镜光纤位置不变，为通过盖板对锥形透镜光纤加以固定提供便利，易于实现且保证了结构的稳定性。此外，采用上述透镜光纤阵列和硅基光电芯片在基板上形成耦合部件，只需使得固定在基板上的述透镜光纤阵列中去除涂覆层的光纤与硅基光电芯片上的耦合区域实现波导对准即可，满足了耦合模斑匹配的要求。基板作为承载面，一方面对固定在其上的透镜光纤阵列和硅基光电芯片起到固定和支撑的作用，另一方面，基板作为散热部件，能够及时对耦合部件进行散热，避免了耦合部件工作过程中过热现象。因此，本实用新型的耦合结构能够提高电子元件的强度、结构稳定性，同时提高其散热性能。
附图说明
为了更清楚地说明本实用新型实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作一简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图是本实用新型的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
图1是本实用新型一个实施例提供的透镜光纤阵列的俯视图；
图2是本实用新型另一个实施例提供的透镜光纤阵列的正视图；
图3是本实用新型另一个实施例提供的芯片与透镜光纤阵列的耦合部件的耦合对准结构示意图。
具体实施方式
为使本实用新型实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本实用新型实施例中的附图，对本实用新型实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本实用新型一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本实用新型中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本实用新型保护的范围。
本实施例提供了一种透镜光纤阵列，图1为本实施例提供的透镜光纤阵列的俯视图，图2为透镜光纤阵列的正视图，参见图1和图2，本实施例提供的包括V型槽基板101、盖板103和预设数量的锥形透镜光纤102；
所述V型槽基板101的第一表面上设置有条数等于所述预设数量的V型槽，各V型槽之间彼此平行；
每一锥形透镜光纤102均安装于所述V型槽基板101上的一个V型槽内，并由所述V型槽基板的第二表面和第三表面向外伸出；
所述盖板103固定在所述第一表面上，以固定安装的锥形透镜光纤102；
其中，所述第二表面和所述第三表面为所述V型槽基板的一组相对的面；各锥形透镜光纤之间的间距和欲与所述透镜光纤阵列形成耦合部件的芯片上的耦合区域之间的间距匹配。
需要说明的是，欲与所述透镜光纤阵列形成耦合部件的芯片的耦合端面上具有由耦合区域组成的区域阵列，透镜光纤阵列中各锥形透镜光纤之间的间距等于区域阵列上各耦合区域的间距，以方便实现波导对准。设置在V型槽基板上的V型槽能够对放入其中的锥形透镜光纤起到固定作用，避免了在通过盖板进行固定之前锥形透镜光纤发生的位置偏移。
进一步地，所述预设数量根据欲与所述透镜光纤阵列形成耦合部件的芯片上的耦合区域确定。例如，预设数量等于芯片的耦合端面上由耦合区域组成的区域阵列中的中耦合区域的数量。
通常，V型槽基板为长方体，第一表面为该长方体的顶面或者地面，第二表面和第三表面为长方体的一组侧面。第一表面上的V型槽的一个端面在第二表面上，另一个端面在第三表面上，各V型槽彼此平行且平行于V型槽基板的一条棱，例如，平行于第一表面所在的长方形的长边。
盖板用于和每一V型槽围成固定锥形透镜光纤的空间，盖板也为长方体，一般，盖板的高度与欲进行耦合的硅基光电芯片的厚度相等，盖板的长小于第一表面所在的长方形的长边，该板的宽等于第一表面所在的长方形的宽边。优选地，盖板靠近第二表面，在盖板中与第一表面接触的接触面中，接触面的长边与于第一表面所在的长方形的长边接触，触面的宽边与于第一表面所在的长方形的宽边接触。可理解的是，盖板也可以根据需要设置在第一表面的其它位置。上述接触面也可以是正方形，本实施例对此不做具体限制。
本实施例提供了一种透镜光纤阵列，该透镜光纤阵列中各锥形透镜光纤的间距与欲与该透镜光纤阵列形成耦合部件的芯片上的耦合区域一一对应，以方便在波导对准时实现每一锥形透镜光纤和耦合区域的对准。其次，设置在V型槽基板上的V型槽保证了在通过盖板进行固定之前放入其中的锥形透镜光纤位置不变，为通过盖板对锥形透镜光纤加以固定提供便利，易于实现且保证了结构的稳定性。
更进一步地，在上述实施例的基础上，如图1和图2所示，还包括尾胶104；
所述尾胶104设置在所述第一表面上的在所述盖板103之外的区域，以固定锥形透镜光纤。
本实施例提供了一种透镜光纤阵列，在通过盖板固定锥形透镜光纤后，再通过尾胶对锥形透镜光纤进行固定，充分保证了透镜光纤阵列的结构稳定性。
更进一步地，在上述各实施例的基础上，所述盖板中靠近所述第二表面的端面与所述第二表面处于同一平面内；
每一锥形透镜光纤伸出所述第二表面的光纤伸出长度均为第一预设长度，且任意两根锥形透镜光纤对应的光纤伸出长度之间的差值小于第二预设长度。
盖板中靠近第二表面的端面与第二表面处于同一平面内，即如图1所示，盖板103和V型槽基板101在某一端是齐平的。
进一步地，所述第一预设长度为0.5-1.0mm，所述第二预设长度为10um(即整齐度控制在10um内)。
本实施例提供了一种透镜光纤阵列，对盖板的安装和锥形透镜光纤伸出第二表面的长度进行限定，保证了在和硅基光电芯片进行耦合时能够更好的匹配。
更进一步地，在上述各实施例的基础上，所述V型槽基板上每一V型槽的两个槽面之间的角度与安装在该V型槽内的锥形透镜光纤的锥形角度匹配。
例如，每根锥形透镜光纤102的锥形角度为92.5±2.5°，则每一V型槽的两个槽面之间的角度应使得锥形透镜光纤102能够安装到槽内，并起到一定的固定作用。
本实施例提供了一种透镜光纤阵列，V型槽基板上每一V型槽具有与锥形透镜光纤的锥形角度匹配的开槽角度，方便对锥形透镜光纤进行安装和固定。
具体来说，本实施例提供的锥形透镜光纤阵列100，如图1和图2所示，包括V型槽基板101、数根锥形透镜光纤102、盖板103和尾胶104.其中，V型槽基板101的上表面上设有与锥形透镜光纤102一一对应的V形槽，V型槽间距根据欲与锥形透镜光纤阵列100形成耦合部件的硅基光电芯片301的端面的耦合区域间距确定，通常V型槽间距采用250um或127um。
锥形透镜光纤阵列100与硅基光电芯片301的耦合区域间距和数量匹配，每根锥形透镜光纤102均设置在与其对应的V形槽内，每根锥形透镜光纤102的锥形角度为92.5±2.5°。锥形透镜光纤阵列100中与硅基光电芯片301耦合的一端去除一段涂覆层。锥形透镜光纤102伸出V型槽基板101和盖板103端面0.5—1.0mm，整齐度控制在10um内。盖板103厚度与硅基光电芯片301厚度匹配，例如为0.6±0.05mm。盖板103与每个V形槽合围成固定锥形透镜光纤102的空间。在V型槽基板101后段点尾胶104将锥形透镜光纤102包裹其中，增加粘接强度和可靠性。
在上述实施例提供的透镜光纤阵列的基础上，本实施例提供了一种芯片与透镜光纤阵列的耦合部件，图3为该耦合部件的耦合对准结构示意图，参见图3，该耦合部件包括以上任一项所述的透镜光纤阵列100、硅基光电芯片301、基板302、芯片粘接胶303、紫外胶304和匹配液305；
所述芯片粘接胶303设置在所述硅基光电芯片301和所述基板302的承载面之间，以将所述硅基光电芯片301固定在所述承载面上；
所述紫外胶304设置在所述透镜光纤阵列100和所述承载面之间，以将所述透镜光纤阵列100固定在所述承载面上；
由所述透镜光纤阵列100的第二端面伸出的锥形透镜光纤与所述硅基光电芯片301中具有耦合区域的耦合端面接触并实现波导对准；
所述匹配液305设置在由所述透镜光纤阵列100的第二端面伸出的锥形透镜光纤与所述耦合端面接触的位置处；
其中，由所述透镜光纤阵列100的第二端面伸出的锥形透镜光纤已去除光纤包覆层。
其中，芯片粘接胶为导电银胶。
需要说明的是，本实施例提供的硅基光电芯片301的耦合端面上有由耦合区域组成的区域阵列，透镜光纤阵列100中各锥形透镜光纤之间的间距等于区域阵列上各耦合区域的间距。基于这种匹配结构，能够较容易实现锥形透镜光纤与相应的耦合区域的波导对准，实现模斑匹配。例如，硅基光电芯片301的端面耦合区域阵列的间距为250um，则透镜光纤阵列中各锥形透镜光纤之间的间距为250um；或者，硅基光电芯片301的端面耦合区域阵列的间距为127um，则透镜光纤阵列中各锥形透镜光纤之间的间距为127um。
具体地，如图3所示，在本实施例提供的耦合部件中，锥形透镜光纤阵列100、硅基光电芯片301、基板302、芯片粘接胶303(其中，芯片粘接胶303通常为导电银胶)、紫外胶304、匹配液305组成。硅基光电芯片301是基于SOI工艺制作的硅光子芯片或光电集成芯片，所使用的硅基光电芯片301的厚度为0.7mm。硅基光电芯片301的端面耦合区域阵列的间距一般为250um或127um。
承载面为基板的任一面，本实施例对此不做具体限定。匹配液是为了实现锥形透镜光纤和耦合区域的折射率匹配，因此，在进行该耦合部件的组装时，实现透镜光纤阵列和硅基光电芯片的波导对准后，只需将匹配液点在锥形透镜光纤与耦合端面接触的位置处，实现折射率匹配即可。
本实施例提供的芯片与透镜光纤阵列的耦合部件，采用上述透镜光纤阵列和硅基光电芯片在基板上形成耦合部件，只需使得固定在基板上的述透镜光纤阵列中去除涂覆层的光纤与硅基光电芯片上的耦合区域实现波导对准即可，满足了耦合模斑匹配的要求。基板作为承载面，一方面对固定在其上的透镜光纤阵列和硅基光电芯片起到固定和支撑的作用，另一方面，基板作为散热部件，能够及时对耦合部件进行散热，避免了耦合部件工作过程中过热现象。
进一步地，在上述各实施例的基础上，所述盖板的厚度等于所述硅基光电芯片的厚度。
本实施例提供的芯片与透镜光纤阵列的耦合部件，盖板的厚度等于基光电芯片的厚度，保证了组装得到的耦合部件结构紧凑。
进一步地，在上述各实施例的基础上，所述基板和所述硅基光电芯片的热膨胀系数匹配。
例如，采用和硅基光电芯片热膨胀系数相近的陶瓷或石英玻璃材料作为基板。
本实施例提供的芯片与透镜光纤阵列的耦合部件，基板和硅基光电芯片的热膨胀系数相等，避免了在基板和硅基光电芯片受热后，由于膨胀程度造成的耦合部件的变形或者损坏。
进一步地，在上述各实施例的基础上，所述基板由陶瓷材料或者石英玻璃材料构成。
具体地，参见图3，在本实施例提供的耦合部件中，透镜光纤阵列100倒置放于基板302上(即透镜光纤阵列100的盖板与基板302接触，V型槽背向基板)，透镜光纤阵列100中的锥形透镜光纤102与硅基光电芯片301耦合端面波导对准。透镜光纤阵列100和硅基光电芯片301都粘接在基板302上，基板302作为光路对准承载平台，起到结构固定和芯片散热的作用。在硅基光电芯片301的耦合端面处耦合区域根据需要加入匹配液305，实现光路折射率匹配。
本实施例还提供了一种光电子器件，包括以上所述的芯片与透镜光纤阵列的耦合部件。
光电子器件可以是光检测器、光放大器等，本实施例对此不做具体限制。
本实施例提供的光电子器件包括上述透镜光纤阵列和硅基光电芯片在基板上形成的耦合部件，该耦合部件的形成只需使得固定在基板上的述透镜光纤阵列中去除涂覆层的光纤与硅基光电芯片上的耦合区域实现波导对准即可，满足了耦合模斑匹配的要求。基板作为承载面，一方面对固定在其上的透镜光纤阵列和硅基光电芯片起到固定和支撑的作用，另一方面，基板作为散热部件，能够及时对耦合部件进行散热，避免了耦合部件工作过程中过热现象。
本实施例提供了一种用于组装芯片与透镜光纤阵列的耦合部件的方法，包括：
步骤1：将硅基光电芯片使用粘接胶固定于基板的一端，具有耦合区域的耦合端面靠近基板中间位置。
例如，如图3所示，将硅基光电芯片301使用芯片粘接胶303固定于基板302的一端，具有耦合区域的端面靠近基板302中间位置，芯片粘接胶303选用导电银胶，涂胶均匀，无空胶，胶厚控制在50±20um。
步骤2：锥形透镜光纤阵列倒置放于基板上，即光纤阵列的盖板靠近基板，V型槽基板背向基板。
例如，使用耦合夹具固定透镜光纤阵列100，倒置放于基板302上，即光纤阵列100的盖板103贴近基板302，V型槽基板101背向基板302。
步骤3：使用微调架将锥形透镜光纤阵列与芯片端面耦合区域耦合对准，调节至合适耦合间距后采用紫外胶填充光纤阵列盖板和基板的缝隙内粘接固定。
例如，使用微调架将锥形透镜光纤阵列100与硅基光电芯片301端面耦合区域耦合对准，调节至合适耦合间距，调节至IL指标达到最优后，采用紫外胶304填充透镜光纤阵列的盖板103和基板302的缝隙内，使用紫外灯固化粘接固定。
步骤4：在硅基光电芯片的耦合端面及锥形透镜光纤阵列的光纤头点上匹配液以实现折射率匹配。
例如，根据需要在硅基光电芯片301的端面耦合区域及透镜光纤阵列100的锥形透镜光纤102的锥形头之间点上匹配液305以实现折射率匹配。
本实施例提供了定制的具有特殊规格的锥形透镜光纤阵列，陶瓷材料或石英材料的基板，具有端面耦合区域的硅基光电芯片，以及固定芯片和光纤阵列的粘接胶。锥形光纤阵列包括V型槽、盖板，以及夹在V型槽基板和盖板之间的若干锥形透镜光纤、锥形透镜光纤通过V型槽固定，锥形透镜光纤长出V型槽基板和盖板端面0.5-1.0mm，锥形透镜光纤的锥形角度为92.5±2.5°。
本实施例提供的耦合部件实现了具有多根锥形透镜光纤的光纤阵列与硅基光电芯片的耦合，同时满足了阵列耦合与模斑匹配，易于实现。此外，本实施例提供的芯片与透镜光纤阵列固定的方法简单可靠，易于操作。形成的耦合结构简单、紧凑，便于产品小型化封装。
最后应说明的是：以上各实施例仅用以说明本实用新型的实施例的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述各实施例对本实用新型的实施例进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分或者全部技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明的实施例各实施例技术方案的范围。
Claims (9)
1.一种透镜光纤阵列，其特征在于，包括V型槽基板、盖板和预设数量的锥形透镜光纤；
所述V型槽基板的第一表面上设置有条数等于所述预设数量的V型槽，各V型槽之间彼此平行；
每一锥形透镜光纤均安装于所述V型槽基板上的一个V型槽内，并由所述V型槽基板的第二表面和第三表面向外伸出；
所述盖板固定在所述第一表面上，以固定安装的锥形透镜光纤；
其中，所述第二表面和所述第三表面为所述V型槽基板的一组相对的面；各锥形透镜光纤之间的间距和欲与所述透镜光纤阵列形成耦合部件的芯片上的耦合区域之间的间距匹配。
2.根据权利要求1所述的透镜光纤阵列，其特征在于，还包括尾胶；
所述尾胶设置在所述第一表面上的在所述盖板之外的区域，以固定锥形透镜光纤。
3.根据权利要求1所述的透镜光纤阵列，其特征在于，所述盖板中靠近所述第二表面的端面与所述第二表面处于同一平面内；
每一锥形透镜光纤伸出所述第二表面的光纤伸出长度均为第一预设长度，且任意两根锥形透镜光纤对应的光纤伸出长度之间的差值小于第二预设长度。
4.根据权利要求1所述的透镜光纤阵列，其特征在于，所述V型槽基板上每一V型槽的两个槽面之间的角度与安装在该V型槽内的锥形透镜光纤的锥形角度匹配。
5.一种芯片与透镜光纤阵列的耦合部件，其特征在于，包括权利要求1-4任一项所述的透镜光纤阵列、硅基光电芯片、基板、芯片粘接胶、紫外胶和匹配液；
所述芯片粘接胶设置在所述硅基光电芯片和所述基板的承载面之间，以将所述硅基光电芯片固定在所述承载面上；
所述紫外胶设置在所述透镜光纤阵列和所述承载面之间，以将所述透镜光纤阵列固定在所述承载面上；
由所述透镜光纤阵列的第二端面伸出的锥形透镜光纤与所述硅基光电芯片中具有耦合区域的耦合端面接触并实现波导对准；
所述匹配液设置在由所述透镜光纤阵列的第二端面伸出的锥形透镜光纤与所述耦合端面接触的位置处；
其中，由所述透镜光纤阵列的第二端面伸出的锥形透镜光纤已去除光纤包覆层。
6.根据权利要求5所述的耦合部件，其特征在于，所述盖板的厚度等于所述硅基光电芯片的厚度。
7.根据权利要求5所述的耦合部件，其特征在于，所述基板和所述硅基光电芯片的热膨胀系数匹配。
8.根据权利要求5所述的耦合部件，其特征在于，所述基板由陶瓷材料或者石英玻璃材料构成。
9.一种光电子器件，其特征在于，包括权利要求5-8任一项所述的芯片与透镜光纤阵列的耦合部件。
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